Учебные задания иметодические указания к их выполнению

Задание 1а (для студентов, записи фамилий которых в уче­б­ном журнале группы имеют нечётный номер). Запустить лабораторный комплекс Labworksи среду МS10 (щёлкнув мышьюна команде Эксперимент меню комплекса Labworks).Открыть файл 24.8.ms10, размещённый в папке Circuit Design Suite 10.0 среды МS10, илисобрать на рабочем поле среды MS10 схему для испытания усилительного каскада на биполярном транзисторе с ОЭ (рис. 24.8),ознакомитьсяс методикой расчёта параметров элементов схемы иустановитьих в диалоговых окнах компонентов.

Всхемууси­лителя на транзистореVT1с ОЭ (типа2N3906 с параметра­ми:U_K.max= 40 В;I_K.max= 0,2 А;h_21Э = 30…300;f_max = 300 МГц;P_K= = 0,625 Вт) включены потенциометрыR1иRк, постоянные резисторыRs,ReиRn, конденсаторыС1…С3, переключательАи ключ В.

В качестве источника энергии использован генератор постоянного напряжения E2 с ЭДС E₂= 12 В, а в качестве источника входного сигнала – генератор синусоидального напряженияE1. Для визуализации результатов испытания в схему включены амперметрыА1иА2, вольтметрыV1иV2, двухканальный осциллографXSC2и плот­терХВР1(построитель АЧХ и ФЧХ усилителя по напряжению).

1.1. Расчёт параметровэлементов схемы выполним с помощью следующих соотношений:

R_K  E₂/I_K.max = 12/(0,2) = 60 Омсопротивление коллектора (без эмит­терной обратной связи (переключательА находится в правом положении, ключВразом­кнут, см. рис. 24.7));

U_Kп E₂/2 = 6B;I_Kп(E₂  U_Kп)/R_K= 6/60 = 100 мАпостоянное напряжение и ток коллектора в режиме покоя;

I_Бп_.I_Kп/h₂₁= 100/1350,75 мAток базы в режиме покоя, гдеh₂₁= = 135среднее значение коэффициента передачи по току транзистора типа2N3906;

 сопротивление резистораR1в базовой цепи, где напряжениеU_Бп0,65 В для кремниевых иU_Бп_.0,3 В для германиевых транзисторов;

R_e (0,1…0,2)E₁/I_Эп= 0,212/0,075 = 32 Омсопротивление ре­з­и­­стораReв цепи эмиттера, гдеI_ЭпI_Кп0,75 мА – ток коллектора при подключении резистораRe;

R₂= (0,3…0,5)R₁сопротивление резистораR2, включенного между базой и общей точкой0усилителя для создания требуемого напряжения покоя

.

Примем R₂= 6 кОм.

В усилителе с ОЭ и с эмиттерной стабилизацией рекомендуется режим: U_Кп  (2/3)E₁ = 8 В и U_Эп  (1/3)E₁ = 4 В, который можно установить измене­нием сопротивлений потенциометров R1, Rк и резистора Rе (см. рис. 24.8).

Для устранения отрицательной обратной связи (ООС) по переменной составляющей тока резистор Rезашунтирован конденсаторомC2, ёмкостное сопротивление которого для низкочастотной составляющей усиливаемого сигнала должно быть на порядок меньше сопротивления резистора Re. ПримемC2= 8 мФ. Тогда сопротивление конденсатораC2Х_С220/f.

Скопироватьсхему (рис. 24.8) на страницу отчета по работе.

1.2. Снять и построить(по точкам) семейство амплитудных характеристик по напряжениюu_вых(u_вх) на частотеf= 1 кГц входного напряженияu_вх, при входных сопротивленияхR_s = 0 иR_s= 100 Ом источникаЕ1и при сопротивлениях нагрузкиR_n = 1 МОм иR_n= 1 кОм.Записатьв табл. 24.1 показания вольтметра V2, работающего в режимеАС, при ступенчатом изменении ЭДС источника сигналаЕ1,наблюдая в окне осциллографа за характером искажения выходного напряженияu_вых при больших значениях напряженияu_вх.

Заметьте, что выходное напряжение u_вых, снимаемое с коллектора транзистораVT1, противофазно напряжениюu_вх (см.рис. 24.9).

Т а б л и ц а 24.1

Rs, Ом	Rn	При Е1, мВ:
		V1 и V2	0	25	50	75	100	200	300	400	500
0	1 МОм	uвх, мВ
		uвых, В
	1 кОм	uвх, мВ
		uвых, В
100	1 МОм	uвх, мВ
		uвых, В
	1 кОм	uвх, мВ
		uвых, В

1.3. Используя графики амплитудных характеристик, определить динамический диапазон D усилителя (см. рис. 24.2, а) и коэффициенты усиления по напряжению K_u при сопротивлениях R_s = 0, R_n = 1 МОм и при R_s = = 100 Ом, R_n = 1 кОм.

1.4. Снять с помощью плоттера ХВР1 амплитудно-частотные и фазочастотные характерис­ти­ки усилителя по напряжению при u_вх = 10 мВ, R_s = = 100 Ом и R_n = 1 кОм и оп­ределить полосы пропускания Δf усилителя без эмиттерной ООС и с ООС.

Скопировать экраны плоттера на страницу отчёта по работе.

В качестве примера, на рис. 24.10 приведены АЧХ K_u(lgf) и ФЧХ_u(lgf) усилителя без ООС (аив) и с ООС (б и г) при заданных на рис. 24.8 параметрах элементов схемы. Анализ АЧХ показывает, что коэффициентK_u= 90,6 для уси­лителя без ООС при частотеf = 100 кГц больше K_u= 76 усилителя с ООС, а верхняя частотаf_в полосы пропускания усилителя с ООС больше частотыf_вусилителя без ООС. Полосы пропусканияΔfопределены по координатам точек пересечения горизонтальных пунктирных линий (см. рис. 24.10,аиб), проведенных на уровнях 90,6и соответственно.

Скачки на графиках ФЧХ соответствуют точкам перехода от опережения выходным сигналом по фазе входного сигнала к его отставанию по фазе от входного сигнала. Границы моделирования АЧХ (Magnitude) и ФЧХ (Phase) усилителя по частоте (нижней (I) f_н = 1 Гц и верхней (F) f_в = 1 ГГц), по коэффициенту усиления K_u = 0…100, по углу сдвига фаз от 360 до +360) и тип шкал (линейная (Lin) или логарифмическая (Log)) задаются в окне плоттера (см. рис. 24.10, справа).

Задание 1б (для студентов, записи фамилий которых в уче­б­ном журнале группы имеют чётный номер).

Запустить лабораторный комплекс Lab­worksи среду МS10 (щёлкнув мышьюна команде Эксперимент меню комплекса Labworks).Открыть файл 24.11.ms10, размещённый в папке Circuit Design Suite 10.0 среды МS10, илисобрать на рабочем поле среды MS10 схему для испытания усилительного каскада на полевом транзисторес ОИ(рис. 24.11),ознакомитьсяс методикой расчёта параметров элементов схемы иустановитьих в диалоговых окнах компонентов.

Для визуализации результатов испытания в схему, кроме амперметра А2и вольтметровV1иV2, включён двухканальный осциллографXSC2и плот­терХВР1(построитель АЧХ и ФЧХ усилителя по напряжению).

Схема усилителя на полевом транзисторе с ОИ (рис. 24.11) выполнена на транзисторе VT2 типа 2N4381 с управляющим р-п-переходом и каналом р-ти­па, работающим при напряжении U_С < 0 (U_C.max = 25 В; I_C.max = 12 мА) и напряжении U_ЗИ ≥ 0 (U_ЗО = 1,8 В). Такой режим может быть обеспечен одним источни­ком питания Е2 с применением так называемого "автоматического смещения". Суть его заключается в следу­ющем.

При протекании тока истока I_Иот общей точки0к стоку на истоке транзистора создаётся отрицательный потенциал (напряжениеR_sI_Э), тем самым открывается путь для протекания тока затвораI_Зот общей точи0через резисторRg, переход затвор-исток, резисторRsк общей точке0. В результате, на затворе формируется положительный потенциал (напряжениеU_ЗИ), приложенный кп-об­ла­стир-п-перехода. При этом уменьшается сечениер-канала, увеличивается сопротивление сток-истокR_СИтранзистора и уменьшается ток стока.

С целью исключения влияния сопротивлений вольтметров V1 и V2 на работу усилителя на полевом транзисторе целесообразно установить их внут­ренние сопротивления по 10…100 ГОм.

1.1. Расчёт параметров элементов схемы выполним с помощью следующих соотношений. Сопротивление сток-исток постоянному токуR_СИ5 кОм определено по ВАХ транзистора2N4381, снятой с помощью характериографаХВР1при токеI_С= (0,4…0,5)I_С.max= 5,33 мА и напряжении U_ЗИ= 0,3U_ЗО= 0,6 В, гдеI_С.max= 12 мА иU_ЗО = 1,8 В.

Зная сопротив­ление R_СИпостоянному току, определим необходимую ЭДС источника питанияЕ2при заданном токеI_С= 5,33 мА иR_СИ= 5 кОм (U_ЗИ= 0,6 В):

E₂1,5(R_СИI_C+U_ЗИ) = 1,5(510³5,3310^-3+ 0,6)40,9 В.

Принимаем E₂= 40 В.

Необходимое напряжение U_ЗИопределим из выражения стоко-зат­вор­ной хара­ктеристикиI_C=f(U_ЗИ):

Откуда напряжение затвор-исток

При токе стока I_C= 5,33 мА,

Так как ток затвора I_З<< I_C, то напряжениеU_ЗИравно падению напряжения на резистореRsв цепи истока, поэтому сопротивление

Выбираем ближайший номинал R_s= 115 Ом.

Сопротивление R_gрезистораRgопределим из условияR_gI_З << U_ЗИ, где I_З – ток затвора. ПринимаяR_gI_З = 0,01U_ЗИ,I_З= 10^8 А, получим

Сопротивление R_dрезистораRdв цепи стока найдем из уравнения токов и напряжений в схеме усилителя, т. е.

Выбираем номинал R_d= 2,4 кОм резистораRd.

Емкость конденсатора в цепи истока С_s= (10…20)/(2fR_s). ПринимаемC_s= 1 мФ.

Итак, параметры усилителя на полевом транзисторе с ОИ (рис. 24.11):

 входное сопротивление R_вх  R_g= 600 кОм;

 выходное сопротивление R_вых  R_d= 2,4 кОм;

 коэффициент усиления по напряжению

К_u = SR_СИR_d/(R_СИ + R_d) = 1110^-3510³2,410³(510³+ 2,410³)17,8,

где S11 мА/В – крутизна стоко-затворной характеристики полевого транзистора типа2N4381в границах напряженияU_ЗИот 0,4 до 0,8 В.

Скопироватьсхему усилителя (рис. 24.11) с установленными параметрами и показаниями приборов для одного из режимов работы на стра­ни­цу отчёта по работе.

1.2. Снять и построить (по точкам) семейство амплитудных характеристик по напряжению u_С(u_З) при частоте f = 1 кГц входного напряжения u_вх, входном сопротивлении R_i = 100 Ом источника Е1 и при сопротивлениях нагрузки R_n = 1 МОм и R_n = 2,4 кОм. Записать в табл. 24.2 показания приборов, работающих в режиме АС, при ступенчатом изменении ЭДС источника сигнала Е1, наблюдая в окне осциллографа за характером искажений выходного напряжения u_вых при больших значениях напряжения u_вх.

Т а б л и ц а 24.2

Ri, Ом	Rп	uЗ, мВ	0	0,25	0,5	0,75	1,0	1,3	1,6	1,8	2
100	1 МОм	uС, В
		iС, мА
	2,4 кОм	uС, В
		iС, мА

Заметьте, что выходное напряжение u_С, снимаемое со стока транзистораVT1, противофазно напряжениюu_З.

1.3. Используя графики амплитудных характеристикu_С(u_З),определитьдинамический диапазонDусилителя (см. рис. 24.2,а) и коэффициенты усиления по напряжению K_u при сопротивленияхR_i= 100 Ом,R_n= = 1 МОм иR_n= 2,4 кОм.

1.4.Построитьграфики стоко-затворных характеристикi_С(u_З) при Е₂ = 40 В.

1.5. Снять с помощью плоттера ХВР1 амплитудно-частотные и фазочастотные характерис­ти­ки усилителя по напряжению при u_вх = 10 мВ, R_s = = 100 Ом, R_n = 1 MОм и R_n = 2,4 кОм, и оп­ределить полосы пропускания Δf усилителя без эмиттерной ООС и с ООС.

Скопировать экраны плоттера на страницу отчёта по работе.

Вкачестве примера на рис. 24.12 приведены АЧХ усилителя, снятые с помощью плоттераХВР1 при сопротивлениях нагрузки R_n = 1 МОм (а) и R_n = 2,4 кОм (б). Как следует из анализа АЧХ, с уменьшением сопротивления нагрузки с 1 МОм до 2,4 кОм коэффициент усиления по напряжению K_u на частоте усиливаемого сигнала f = 10 кГц умень­шился почти в 2 раза.

Задание 2. Открыть файл 24.13.ms10, размещённый в папке Circuit De­sign Suite 10.0 среды МS10, илисобрать на рабочем поле среды MS10 схему для испытания истокового повторителя на полевом транзисторе (рис. 24.13)иустановитьпараметры компонентов схемы

2.1. Схемаистокового повторителя(рис. 24.13) собрана на полевом транзисторе с изолированным затвором ир-каналом типаIFRL9014с параметрами:U_C.max=40 В;I_C.max=1,8 А; U_З.пор =3,88 В;S= 1300 мA/B. Резистор нагрузкиRsвключен в цепь истока, а сток по переменной составляющей тока соединён с общей точкой0усилителя. Выходное напряжениеu_выхсовпадает по фазе с входным напряжениемu_вх, а его значениеu_вых(0,9…0,99)u_вх.

Такой усилитель имеет повышенное входное сопротивление

R_вх=R_gR_gs/(R_g +R_gs) = [0,15533,43/( 0,155 + 33,43)]10¹²= 154,310⁹Ом,

где R_g=R_g1R_g2/(R_g1+R_g2) = [0,165/( 0,16 + 5)]10¹²= 15510⁹Ом,

и сравнительно небольшое выходное сопротивление

R_вых=R_s/(1 +SR_s) = 50/(1 + 1,350) = 0,76 Ом,

или приближенно R_вых1/S= 1/1,3 = 0,77 Ом, что способствует согласованию высокоомного источника усиливаемого сигнала с низкоомным нагрузочным устройством.

2.2. Снять и построить амплитудную характеристикуu_C(u_З) приf= = 1 кГц, занося показания приборов в табл. 24.3. Используя график амплитудной характеристикиu_С(u_З),определитькоэффициент усиленияК_u.

Т а б л и ц а 24.3

uЗ, В	3	4	5	6	7	8	9	10	12
uС, В

Задание 3. Открыть файл 24.14.ms10, размещённый в папке Circuit De­sign Suite 10.0 среды МS10, илисобрать на рабочем поле среды MS10 схему для испытания дифференциального усилителя на биполярных транзисторах (рис. 24.14),установитьпараметры компонентов схемы ископироватьсхему на страницу отчёта.

3.1. В схему (рис. 24.14) включены:

 два одинаковых транзистора VT1 и VT2, эмиттеры которых соединены между собой, и генератор стабильного тока, собранный на транзисторе VT3 по схеме с ОЭ и напряжением U_БЭ = U_ст стабилитрона VС, подключены к общей точке 0. Как известно, выходное сопротивление такого каскада со стороны коллектора изменениям тока весьма велико (сотни килоом  мегомы), в то время как сопротивление каскада постоянному току мало и поэтому напряжение на нём невелико;

 резисторы Rb1 и Rb2 (для задания параметров статического режима);

 источники Е1иЕ2 входного сигнала (с блокировочным конденсатором С3), внутренние сопротивления которых имитируются резисторамиRi1 и Ri2;

 контрольно-измерительные приборы.

С помощью вольтметров V1 и V2, подключенных к коллекторам транзисторов VT1 и VT2, измеряется постоянное напряжение на коллекторах тран­зисторов; выходное напряжение u_вых = u_d1 – u_d2 измеряется вольтметром V4, работающим в режиме DC при подаче между базами транзисторов постоянного сигнала (при подключении источника E4 постоянного напряжения с помощью ключа Q) и в режиме АС при подаче переменных сигналов. С помощью вольтметра V3 и амперметра А1 контролируется ток покоя (по значению напряжения на резисторе Re) в эмиттерной цепи транзистора VT3 и базовый ток этого транзистора, а входное и выходное напряжения усилителя – вольтметрами V4 и V5.

3.2. Снять и построить амплитудную характеристику дифференциального усилителя при ступенчатом изменении ЭДС Е₄, определить коэффициент усиления К_u и динамический диапазон усиления (в децибелах).

Режимы работы приборов схемы указаны в табл. 24.4.

Т а б л и ц а 24.4

E1 = 0; E2 = 0. Ключ Q замкнут	uвх, мВ (ЭДС Е4)	-150	-125	-100	-75	-50	-25	0	25	50	75	100	125	150
	uвых, В (V4 – ре-жим DC)

3.3. Снять и построить амплитудные характеристики u_вых(u_вх) дифференциального усилителя при симметричном и не симметричном (задав ЭДС Е₂ = 0) входах при частоте f = 1 кГц, определить коэффициент усиления К_u по напряжению и сравнить его с расчетным значением

K_u  h_21ЭR_d/[h_11Э (1 +h_22ЭR_d)],

где h_21Э = 75, h_22Э= 2,610^-3См и h_11Э = 54 Ом  h-параметры транзистора 2N3906, определенные с помощью характериографа ХВР1.

Режимы работы приборов схемы указаны в табл. 24.5.

Наблюдать за изменением формы выходного напряжения на экране осциллографа.

Т а б л и ц а 24.5

Противофазный вход: E1 = -E2. Ключ Q разомкнут	E1 = E2, В	0	10	25	50	75	100	125	150	175
	uвх, мВ (V5, режим АC)
	uвых, В (V4, режим АC)
Несимметричный вход (E2 = 0). Ключ Q разомкнут	E1, В	0	20	55	100	150	200	250	300	350
	uвх, мВ (V5, режим АC)
	uвых, В (V4, режим АC)

В качестве примера на рис. 24.15 представлены осциллограммы входных и выходных сигналов схемы (рис. 24.14), снятые с помощью четырёхканального осциллографа XSC1, откуда видно, что амплитуды выходного напряжения составляют около 1,49 В при амплитуде входного сигнала

6,7 мВ, коэффициент усиления K_u= 222, бли­зкий к значению коэффициентаK_u, рассчитанному по фор­­муле

K_u  h_21ЭR_d/[h_11Э (1 +h_22ЭR_d)] = 75300/[54(1 + 2,610^-3300)]  234.

3.4. (Выполняется факультативно).Снятьипостроитьамплитудные характеристикидифференциального усилителя и определить коэффициенты усиленияК_и:

а) при изменении начальной фазы _e2 ЭДС источника сигнала Е2 при Е_m1 = Е_m2 < Е_m3 и неизменной фазе ЭДС источника Е1 , т. е. при _e1 = const;

б) при изменении сопротивлений резисторов Rd1, Rd2, Ri1, Ri2 и параметров транзисторов в статическом режиме.